[發明專利]一種液滴微操作機械手及控制方法

有效

• 申請號: 201210554568.9
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103009387A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 張勤;甘裕明;劉俊;青山尚之
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J9/14
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及液滴微操作技術領域，特別涉及一種液滴微操作機械手及控制方法。

背景技術

隨著機械電子產品的小型化，機電產品的元器件也逐漸趨向小型化，薄型化的發展趨勢。在微型部件的裝配中，往往涉及到微型部件位置和姿態的調整，這對微操作裝置提出了很高的要求。

目前國內外對于微小部件的裝配，主要有基于微操作工具的方法、真空吸附法與基于表面張力的方法等。

南京航空航天大學韓江義所提出一種夾鉗式力反饋微遙操作系統，通過夾鉗式主手，壓電陶瓷驅動的微夾持器和主從式反饋控制模塊，可使操作者在遙微操作中有夾持力覺臨場感，實現對于微小物體的夾持和移動操作。

日本名古屋大學的TAMIO開發的一種雙指微操作手，模仿筷子夾持物體的機理，實現對于物體的拾取、移動、旋轉和釋放。雖然這種直接夾持方法比較穩定，但是微尺度對于傳感器的精度提出了很高的要求，而且夾持操作難免會導致夾持部件的變形，對部件造成一些不良的影響。

真空吸附法在微裝配中應用最為廣泛，通過負壓的方式來吸持微小部件，但這種方法很難實現微小部件的姿態調整，而且對吸附表面有嚴格要求。

日本琦玉大學的芳賀哲也提出了一種通過毛細管內負壓借助液體表面張力間接吸持部件的方法。這種方法避免了直接夾持對物體帶來的擠壓，但是機械操作的靈活性降低，只能實現部件的移動操作，而無法實現部件三維空間內姿態的調整。

Imperial?College?London的Richard提出基于表面張力的自適應微型機械裝置，裝置通過微型部件連接部位處的液體表面張力來控制連接部位的轉動角度；東京工業大學的Kaiji?Sato提出了一種液體表面張力驅動微小部件自適應定位方法，討論了自適應運動方法的影響因素和改進方法，這些方法都是將表面張力應用到微小物體的姿態調整中，但只能調整特定的姿態。

除了上述的方法之外，微小機器人在微裝配中應用也越來越多，但由于系統的復雜性和應用環境的限制，目前還沒有得到廣泛的應用。

發明內容

本發明的發明目的是針對現有基于液體表面張力的微操作技術不足，提供一種液滴微操作機械手，通過拉直的鎢絲棒的上下移動，控制液滴的形態，改變吸附在液滴表面的微小物體的姿態，從而實現任何形狀的微小物體空間范圍內位置和姿態的控制。

進一步地，提供一種液滴微操作機械手的控制方法。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種液滴微操作機械手，包括上、下定位板及設在上、下定位板之間的定位環；上定位板上安裝有多個微型步進馬達；所述機械手還包括毛細微管，毛細微管的下端穿過定位環及下定位板；下定位板上安裝有與微型步進馬達相同數目的多個三角形連接板，每個微型步進馬達的絲桿式輸出軸與導軌均穿過定位環安裝在一個三角形連接板上，且該三角形連接板能夠沿著該微型步進馬達的導軌移動；毛細微管的下端環繞有與三角形連接板相同數目且拉直的多根鎢絲棒，每個鎢絲棒的上端與一個三角形連接板連接；每個鎢絲棒的下端也穿過下定位板，液體通過毛細微管流入鎢絲棒所圍成的環形區域并在鎢絲棒所圍成的環形區域的下端端面形成液滴。

優選地，所述鎢絲棒為6-10根，且鎢絲棒的下端面表面光滑。

優選地，所述鎢絲棒為6根，6根鎢絲棒的直徑一致，鎢絲棒直線度小于0.008mm，其長度為5cm-6cm，其直徑為300μｍ-500μｍ。

優選地，微型步進馬達為6個，其單步移動的步長為小于0.3um。

優選地，微型步進馬達的頂端設有固定板，毛細微管的上端穿過該固定板；微型步進馬達的絲桿式輸出軸通過矩形螺母安裝在三角形連接板上,?矩形螺母能夠沿著微型步進電機的導軌運動,每個鎢絲棒通過膠水與對應的三角形連接板固定連接。固定板通過螺栓固定在上定位板上，主要起固定作用。

優選地，所述毛細微管的外徑為1mm—0.5mm，內徑為0.3-0.7mm，且毛細微管的下端面縮進六根鎢絲棒的下端面1.5mm—2mm，液體通過注射器注入毛細微管中，并保持一定的壓力。

進一步地，提供一種液滴微操作機械手的控制方法，往毛細微管中注入液體，液體流經鎢絲棒所圍成的環形區域，在鎢絲棒所圍成的環形區域的下端端面形成液滴；通過控制各鎢絲棒的上下移動量，改變鎢絲棒所圍成的環形區域的下端端面形狀，使端面形成液滴的形態也隨之改變，基于表面張力吸附在液滴上的微小部件的姿態將隨之變化；當鎢絲棒的上下移動時，液滴的位置隨之改變，從而實現對于微小部件位置和姿態控制。